keakon的涂鸦馆

超光速和时光倒流

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最近在看Steins;Gate中文影像版时，让我对“时间旅行”这个词又燃起了一些兴趣，看了些网上的资料后，决定记录下自己的看法。

首先想说的是，超光速是否存在和时光倒流是没有任何关系的。
得出“超光速可以让时光倒流”这个推论是基于狭义相对论的，而狭义相对论的推导则是基于洛伦兹变换，所以先研究下这2者。

在这个公式中，一眼就能看出常量c：

这个光速不变的原理是狭义相对论的理论基础。而由于光速不变，这就导出了时间是可变的，因为2个惯性坐标系的时间t和t'是不一样的。
而速度是距离对时间的导数，在所有惯性系下测得的光速都是相同的，而时间又是可变的，也就表明距离也是可变的。
从这个意义上来说，光速不变是一种很颠覆传统思想的理论，因为它让人们经验中不变的时间和距离变成相对的（即一个惯性系里的1秒和1米可能不等于另一个惯性系里的1秒和1米），而让其导数变成了绝对的，所以对于解释日常现象（以地球为惯性坐标系的低速世界）基本没有帮助。而这种并不直观的相对时间，即使倒流了，也对人们所熟识的时间不造成直接影响。
举例来说，假设“1元钱买的汽油可以跑1公里”这个是公理，而发改委想将油价提高一倍，那么为了不违背公理，发改委就顺便把公里的定义缩短了一半。这没有任何矛盾，但看似无理取闹。

再回到这个公式，很明显，v在[0,c)范围内增加时，t'是逐渐减小的。在物理上的意义就是，当惯性系相对于观测者以的运动速度增加时，该惯性系里的时间将越来越比观测者的时间慢。
而将速度v设为c，x设为1光秒，t设为1秒，那么t'就等于0/0，无意义。也就是说，当惯性系相对于观测者以光速运动时，处于这个惯性系里的物体的时间，相对于观测者的时间来说，不具有数学上的意义。
而将v设为2c，其他不变，那么t'算出来是±3i秒，也不具有物理上的意义。
因此，那些得出光速可以让时间静止，而超光速可以时间倒流的，肯定没有自己去计算过。
当然，你也可以说这个公式不完善，在v≥c时有其他的计算公式。最容易想到的就是让v=c时有t'=0这个结果，似乎仍然是符合初等函数的。而爱因斯坦显然比你聪明，他不认可时间停止和倒流的存在，所以故意不让他的推导对v≥c时有意义；而你要证明v=c时可以推出t'=0，是不能套用这个的公式的。这个臆想的结果，实际上就是认为爱因斯坦不正确，然后拿不正确的理论推出自己的一套理论，并宣扬自己的理论是正确的——你说这不是搞笑么？
但这个看法也不是完全没道理，至少目前没法否定狭义相对论是不够完善的这点，因而你仍有机会得出v≥c时有意义的解。
为什么这里“有意义”是个重要的前提呢？因为人类的认知是基于经验规律的，不符合经验规律的现象也就无法被认知。我们在探求真理时，追求的是一个认知过程；如果不存在认知，那么真理也就不能被我们所理解和获取。简单来说，假如时间除了前进、停止和倒退，还可以产生、消失、分裂、组合、投射、衍射…但对目前的人类而言，无法理解时间的衍射是指什么现象，不是一个可以依经验规律认知的事件，那么即便时间可以衍射，对我们而言也没有意义。同样，虚数的时间间隔也是不被人所认知的，即便它存在，我们也无法去观测和感受。

接着来考虑时间变慢的效应，毕竟在接近光速时，可以让另一个坐标系里的时间趋于0。
虽然这有点难以理解，但实验证实时间的确是变慢了。
以目前秒的定义来说，它是指铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。而将一个铯原子钟相对地球惯性系高速运动，另一个则相对静止，那么在地球惯性系观测这2个原子钟，前者的时间将慢于后者。
此外，放射性粒子是有半衰期的，这个是粒子本身的特性。而在相对于地球惯性系高速运动时，我们测出它的半衰期将会增加。
这2个实验就说明，物理变化过程的时间度量尺度，在不同的惯性坐标系下是不同的。在高速运动的原子钟和放射性粒子自身看来，它们经过的时间仍然是正常的，只是另一个惯性坐标系的观测者会有不同的时间度量尺度。
也就是说，假如你出生后就以0.9倍光速不停地跑，你仍会觉得自己过了几十年就死了，而地球上的人会认为你活了100多年，这并不矛盾。

那么时间可不可能静止和倒流呢？
让我们再确定一下时间的定义。维基百科里指出：时间是指宏观一切具有不停止的持续性和不可逆性的物质状态的各种变化过程，其有共同性质的连续事件的度量衡的总称。
从这个定义来看，时间是不停止的和不可逆的，就像公理一样阻止了时间静止和倒流。而公理是没有理由的，直接给出这个结果不符合认知的过程，所以此处需要使用其他的定义。
时间作为一个基本的物理量，它必然是用于描述物体状态的一个参量，同时又是可测量的。而如果只有时间，却没有任何变化，那么即使时间在流逝，也是不可测量的。进一步来说，如果时间不与变化相关的话，那么这种时间对人类而言是毫无意义的。例如你发明一个物理量纲x，指出在x从0到t时，物体可能变了，也可能没变，那么这个x不表示任何有效的物理含义。从本质上来说，物理是研究物体变化规律的，所以研究不变本身就脱离了物理范畴。
所以时间应必须能描述物体的变化，而在前面所提到的秒的定义中，它就描述了一个跃迁变化的周期过程，因此这个定义也是符合人类的经验的。

接下来再来看时间静止的定义，它是指相对于其他惯性系的观测者静止，还是指相对于自身惯性系静止呢？如果是相对于观测者静止，那就意味着原惯性系的变化是不能被观测者观测到的；假如观测者是全知全能的，而且原惯性系的时间尺度相对于观测者的惯性系不为0，那么就推出原惯性系没有变化。而如果是指相对于自身惯性系静止，那就意味着自己观测不到自身的任何变化，结论也是相同的。
在《heroes》中，Hiro可以让时间静止，这个静止是相对于观测者而言的。而如果是相对自身静止，那么这种时间静止和前面所提到的物理量纲x一样，不具备任何意义（连自身都静止了，那也就没法用一个变化的过程证明它相对静止，也就意识不到这个静止的存在）。
于是要让时间静止真正有意义，让原惯性系的时间尺度相对于观测者的惯性系为0就成为唯一的方法。此处的尺度实际上是个比值，而让原惯性系的时间相对自身停止是不具意义的，于是就必须让观测者的时间尺度为无穷大了。而无穷大本身也不是一个实际存在的数，因此这种静止也不具有任何意义。
虽然已经推出时间静止不具备对人类而言的有效意义了，但顺便研究一下光子也无妨。很明显，光子在真空中可以达到光速。假设真空在现实中存在的（即便只是很小的空间尺度），而狭义相对论是正确的话，那么光子的时间尺度是0/0，在取极限时是趋于0。这就意味着光子至少是很稳定的，它自己都几乎观测不到它的变化，而这与光子的半衰期为无限长相符。

最后再来看时间倒流。
要让它有意义的话，必须是物体a回到了过去，改变了过去的物体b，并且这个变化能被a和现在的观测者c观测到。
这里用到了“过去”一词，暂且将其定义为已经发生，并能被a、b和c观测到的改变。
而“回到”则也意味着一个物理变化的过程，与时间的意义不违背，所以在这点上是允许倒流的。而且和正常的时间流逝一样，这个变化是连续的，不是一个不可观测的跳跃过程。
但在倒流的过程中，a所观测到的物理现象应该是一个时间反演的过程，而c则在过去曾观测到与a相反的现象。
在这个时间反演的过程中，a会观测到违反热力学第二定律的现象，因为热量会自发地从低温物体传到高温物体。
假设这个基本的物理学定律是错的，只在正向的时间有效，而在逆向的时间里需要修正，那么继续考虑a的处境。对于a自身而言，它的时间是前进还是后退呢？从哲学意义上考虑，答案是前进，因为对于观测者自身而言，时间只能正向地被感知，后退的时间即使存在，对观测者也是无意义的。举例来说，假设我们所处的宇宙，每经历2秒就倒退1秒，我们会有什么感受呢？我们仍会觉得自己是1秒1秒往前经历的。因为在在时间倒流时，相对于正向的时间产生变化而言，逆向的时间必须消除这一变化。于是历史被精确地还原，没有任何我们曾经经历过那1秒的记录（变化），因此我们感受不到那1秒。这也就说明，逆向的时间是不被处于该时空的物体所感知的，因而即便存在也毫无意义。
因此真正有意义的行为是a在它的时间正向流逝过程中，观测到了b的时间反演现象，并在过去的某一时刻停止了后退。接着a改变了b，并期望c能观测到这一变化。
那么c能观测到吗？由因果律可以得知，要让c观测到b的变化，必须有个让b变化的原因。而此处b变化的原因是a改变了b。但在c过去观测到的历史中，a没有去改变b，而这在c的时空中是一个事实。这2者的矛盾就推出a和c的时空是不同的。
注意一下，我们不能认为因果律是错误的，因为那会导致人的思维、推理过程都不具有逻辑意义。举例来说，我有一杯水，我将它喝掉了，所以杯子空了。喝水和杯子空了是有因果联系的2件事。“我将水喝掉了”是“杯子空了”的充分条件；而“我将水倒掉了”也是“杯子空了”的充分条件。正是由于有因果律，我们可以从因推出确定的果，而不一定能从果反演出唯一的因（除非得知这一变化的所有参数和计算方式）。也就是说，因到果是一个必然的过程，因事实上蕴含了果（变化）；而正是由于这种蕴含关系是单向的，我们才不能逆向地从果必然地推出因。
因此，假如宇宙（时空）是唯一的，那么时间倒流就是矛盾（不可能）的。
而如果宇宙不唯一，这里的推导不排除时间倒流的可能，只是a已经进入了与之前不同的宇宙。但在a和c看来，之前的宇宙已经永远停止于时间倒流的一刻，因为那个宇宙无论怎么发展，a都必定离开，这又违背了热力学第一定律，或者至少是让宇宙变成不封闭的系统了。如果这个基本定律也允许违背的话，那c仍能观测到a消失后的宇宙。
而将视点转回a，它在它的正向时间里观测到了a、b和c的逆向时间，对它自己的历史而言，那段时间中是不存在2个a的（否则违背因果律），所以a必然不存在于被观测的时空中。于是a相当于在东京看纽约拍的电影的倒序播放，只是一个观测者，而不对电影内容产生任何干涉。这样一来，a不但不能对b和c的所处的时空进行干涉，甚至连存在于a的历史时空都不行，于是a只能处于第3个时空，而这个时空是不被b和c所认知的，因而也不具有实际意义。
虽然我不倾向于用平行宇宙来解释这个问题，但是这个理论至少可以说明，即便时间倒流是可能的，也不会有未来人回到现在，因为他只能回到与我们不同的平行宇宙。而如果这个理论也不成立，那么时光倒流本身也不成立。
再进一步，a要观测到倒流现象的话，必然要让过去的时空对a所在的时空产生干涉（例如接收到光子和感受到引力），而这种干涉在量子理论里也是一种能量的传递，这2个时空就会为了让a观测到而传递能量。但在c观测到的历史中，这个宇宙没有流逝任何能量，那么a在接收到传递的能量时，必须创造一个一模一样的能量，以相同的方式传回过去的时空，于是这也要求时空不封闭，且违反了海森堡不确定性原理——要做到同时在相同位置传回相同的能量（量子），那就无法保证其动量的准确。同样，观测到时间静止也违反了这个原理，这也就是之前所说的无法认知自身的时间静止的原因。而且这么一来，不但广义相对论的基础崩塌了，连量子理论的基石也不复存在了，必须提出一个新的理论修正它们。
综上，要让c观测到真正的时光倒流是不可能的，但不完整的时光倒流（a单方面的观测）在哲学上是不排斥，却又毫无意义的。